Automation im Off-Highway-Bereich: Smarte Sensoren und Datenfusion ebnen den Weg zur selbstständig agierenden Arbeitsmaschine

Schaufelbagger, Planierraupen, Schlepper: Geländegängige Nutzfahrzeuge müssen ran, wenn es runter von der Straße geht. Die Evolution der mobilen Arbeitsmaschinen wird dabei maßgeblich durch die rasanten Fortschritte in der Sensorik geprägt. Leistungsfähige Sensorsysteme entlasten den Fahrer und erhöhen die Effizienz. Die Technologieanbieter begleiten ihre Kunden von Beginn an bei der Entwicklung marktrelevanter Lösungen, die eine bedarfsorientierte Automatisierung sicherstellen.

Der Bedarf an zuverlässigen Sensortechnologien im Off-Highway-Sektor wächst rasant. Sensoren spielen unter anderem eine wichtige Rolle in der Überwachung und Steuerung von mobilen Arbeitsmaschinen, die in der Land- und Forstwirtschaft, der Bauindustrie und im Bergbau eingesetzt werden. Der Wahl des „richtigen“ Sensors kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zu. Im Gegensatz zu den Lösungen für die Industrieautomation werden an mobiltaugliche Sensoren deutlich höhere Anforderungen gestellt – denn Land- und Baumaschinen sammeln ihre Daten unter widrigen Einsatzbedingungen. Sie müssen bei viel Schmutz, Feuchte und extremen Temperaturen zuverlässig messen.

Harter Einsatz, robuste Messtechnik

Soll beispielsweise ein Dreschwerk auf einem unebenen Feld fortlaufend horizontal arbeiten, müssen robuste Neigungssensoren seitlich und in Fahrtrichtung Abweichungen feststellen und übermitteln. Damit machen sie transparent, was in den Maschinen passiert und geben dem Fahrer die Möglichkeit, Überlastungen zu vermeiden. Starke Vibrationen können hier zu einem Verrauschen der Signale führen – und damit zu Fehlern bei der Winkel- und Positionsmessung. Für die Technologieanbieter gilt es, die Sensoren an die Bedingungen anzupassen, die abseits der Straßen herrschen. Störungsunempfindliche Messsysteme, die Neigungssensoren mit einer Gyroskop-Korrektur fusionieren, blenden derartige Stöße effektiv aus.

Zu den Hauptaufgaben von Sensoren in der mobilen Automation gehören Lösungen zur Fahrerassistenz. Die derzeit verfügbaren Assistenzfunktionen bilden die erste Stufe auf dem Weg zur autonomen mobilen Maschine, die ihre Arbeiten selbsttätig ausführt, ohne dass ein Maschinenführer manuell eingreifen muss. Dies spiegelt sich in einem stufenweisen und bedarfsorientierten Ansatz wider, den die Technologieanbieter bei der Entwicklung verfolgen – beginnend mit warnenden Funktionen im Cockpit, über teilautonome Systeme, die den Fahrer bei seiner Tätigkeit unterstützen, bis hin zu Telematik-Komplettpaketen, die auch in abgelegenen Regionen die Effizienz der Maschinen erhöhen. Ingenieuren, Entwicklern und Flottenmanagern bietet der Markt eine komplette Tool-Box für nahezu alle Sensoranwendungen in mobilen Arbeitsmaschinen.

Datenlieferanten für sichere Maschinen

Exemplarisch dafür stehen hochauflösende Radarsensoren, die im Bereich von 77 Gigahertz sowohl bewegte als auch unbewegte Objekte erfassen. Sie überwachen die Umgebung des Fahrzeugs, geben in Kombination mit Assistenzsystemen Hilfestellung und warnen vor Gefahren. Lösungen, wie sie etwa der Elektronikexperte Hella anbietet, arbeiten mit einem 360-Grad-frequenzmodulierten Dauerstrichradar, der auch bei extremen Temperaturen, bei Nacht und bei schlechten Sichtverhältnissen durch Nebel, Regen oder Schnee zuverlässig funktioniert. Die Sensoren können unterschiedliche Daten über die Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs erfassen, darunter den Abstand, die relative Geschwindigkeit sowie den Winkel, in dem sich die Objekte bewegen.

Die Hersteller greifen dabei auf ein breites Technologieportfolio aus dem Automobilbereich zurück, das sie kontinuierlich für den Off-Highway-Einsatz weiterentwickeln. Das umfasst unter anderem die Auslegung auf das 24-V-Bordnetz oder die Schutzart IP69K. Sie geben den Erstausrüstern mobiler Arbeitsmaschinen damit einen funktionalen Baukasten für wirtschaftliche Serienanwendungen an die Hand, mit dem diese unkompliziert eigene Assistenzsysteme nach dem Plug-&-Play-Prinzip konzipieren können. Die Sensorbaukästen umfassen neben Radarsensoren auch Ultraschallsensoren sowie Multikamerasysteme, die flexibel konfigurierbar sind und sich maßgeschneidert auf die Anforderungen der spezifischen Anwendung anpassen lassen. Während einfachere Systeme nur die reine Distanz zu einem Hindernis messen, bieten Highend-Lösungen in Kombination mit Multikamerasystemen zusätzlich eine Objektlokalisierung. Sie zeigen den Videostream auf dem Display im Cockpit und erstellen ein Overlay, das die erfassten Objekte im Detektionsbereich der Radar- und Ultraschallsensoren optisch hervorhebt.

Detaillierte Interpretation des Umfeldes

Erst durch eine elektronische Fusion der Daten verschiedener Sensoren werden die Vorteile der unterschiedlichen Messprinzipien optimal kombiniert und so die Performance von Assistenz- und Sicherheitsfunktionen erhöht. Leistungsfähige Algorithmen und der Einsatz Künstlicher Intelligenz ermöglichen die Interpretation des Fahrzeugumfelds. In Form fortgeschrittener Lenksystemlösungen erleichtern sie auf dem Feld den bedienerunabhängigen Betrieb, etwa in Form von Precision Farming mit moderner Pflanzenreihenerkennung oder präziser Teilbreitenschaltung. Dank der GPS-Positionsbestimmung folgen die Maschinen den vorgegebenen Routen spurgenau, was einem überlappenden Einsatz von Pestiziden oder Düngemitteln vorbeugt.

Für die Objekterkennung, Abstandsmessung und Kollisionsvermeidung setzt auch Bosch bei seinem „Off-Highway Surround Sensing“ auf eine Kombination aus Ultraschall- und Radarsensoren. Während die Ultraschalltechnik für den Nahbereich optimiert ist, eignen sich Radarsysteme sowohl für die Nah- als auch für die Fernfeldüberwachung. Die Umfeldsensorik kann so zur Kollisionswarnung und -vermeidung sowie zur Abstandmessung, etwa bei Spritzgestängen oder bei der Traubenernte, eingesetzt werden. Sie sorgt dafür, dass der optimale Abstand zwischen Erntemaschine und Reben eingehalten wird. Mittels der präzisen Lokalisierung warnt das System den Fahrer nicht nur vor einer möglichen Kollision, sondern liefert auch die genaue Entfernung und Position anderer Objekte. Das erleichtert beispielsweise Parallelfahrten zweier Maschinen. „Mit Off-Highway Surround Sensing schaffen wir die Grundlage für die effiziente Entwicklung weiterführender Assistenzfunktionen. Künftig werden landwirtschaftliche Maschinen viele Arbeitsschritte vollkommen automatisiert ausführen können“, erklärt Stefan Schenk, verantwortlich für den Bereich Off-Road bei der Robert Bosch GmbH.

Für die Trends von morgen gerüstet

Auch wenn es noch einige Jahre dauern dürfte, bis autonom fahrende Arbeitsmaschinen die Baustellen und landwirtschaftlich genutzten Felder beherrschen: Schon heute halten zunehmend Vernetzung und Digitalisierung Einzug in die Off-Highway-Sektoren.Sensoren machen dabei transparent, was in den Maschinen passiert und geben den Fahrern die Möglichkeit, ihre Maschinen zu optimieren und Überlastungen zu vermeiden. Schon heute gibt es ein breites Spektrum an Lösungen zur Positions-, Geschwindigkeits- und Neigungserfassung, die die Nutzfahrzeuge auf die Anforderungen an die Automatisierung von morgen vorbereiten.

Stand: 12.06.23